prácticas de tribología

8/19/2019 Prácticas de tribología

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Autores:Dr. Javier Jiménez García

M. en D.U. Julio Bernal Vázquez

UNIVERSIDAD NACIONALAUTONOMA DE MÉXICO

FACULTAD DE ESTUDIOSSUPERIORES ARAGÓN

CENTRO TECNOLÓGICO ARAGÓN

PROYECTOPAPIME PE100614, UNAM


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PROYECTOPAPIME PE100614, UNAM

MÉXICO 2015

Contenido

Pagina

Prefacio 3

Reglamento 5

Practica 1: ELECTROSCOPIO 7

Practica 2: WIMSHURST 17

Practica 3: GENERADOR DE 27

VAN DE GRAAFF

Pagina

Practica 4: ROTOR 41

Practica 5: FRICCIÓN CINÉTICA 51

Practica 6: FRICCIÓN ESTATICA 61

Y DINAMICA

Practica 7: RUGOSÍMETRO 83


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PROYECTO PAPIME PE100614, UNAMPrefacio

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Prefacio

Como profesores universitarios es un verdadero placer

plasmar en esta Propuesta de Prácticas las experiencias

exitosas, docentes y profesionales sobre una temática tan

importante, la Tribología, para contribuir de una forma

estratégica en la vinculación del desarrollo tecnológico en

la industria, la academia y la formación profesional de

nuestros egresados.

Debido a la modificación del Plan de Estudios de la carrera

en ingeniería Mecánica de la FES Aragón, es

imprescindible instrumentar y generar protocolos de

prácticas en las temáticas afines (fricción, desgaste y

lubricación), para apoyar la asignatura de Tribología,materia obligatoria de la especialización de diseño recién

incorporada al plan de estudios, con la finalidad de

fortalecer los procesos de enseñanza y las necesidades

de aprendizaje.

La tribología es un campo de investigación y de aplicación,

relativamente nuevo, poco conocida por los noespecialistas, que implica una interdisciplinaridad estrecha

entre físicos, químicos, hidrodinámicos y sobre todo

ingenieros, teniendo un desarrollo considerable en el

transcurso de las últimas décadas.

Desarrollo que se ha visto impulsado por la complejidad y

la creciente sofisticación de la ingeniería de los sistemas

utilizados en múltiples sectores (transporte, espacio,

robótica y tecnologías médicas).

Hecho que ha obligado a los involucrados a centrar sus

investigaciones en comprender y mejorar el

comportamiento tribológico de los materiales, ya que son

especialmente importantes en términos de seguridad,

fiabilidad y sobre todo para el ahorro de energía.


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PROYECTO PAPIME PE100614, UNAMPrefacio

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Por ello, es fundamental, que a través de la incorporación

de estas prácticas, nuestro alumnado este a la vanguardia

de los principales avances científicos y tecnológicos, yaprendan las referencias de nuevos desarrollos en

investigación descriptiva mediante un enfoque

experimental, con contenidos actualizados.

Cabe destacar que con ello se podrá mejorar la formación

de recursos profesionales, y así avanzar hacia eldesarrollo de entornos educativos contextualizados y con

significados que generen escenarios alternativos de

enseñanza y de aprendizaje, para el desarrollo de

competencias en el campo de la tribología.

Es importante mencionar que en cada práctica propuesta,se incluye un instructivo, en el cual se establecen los:

Objetivos específicos.

Competencias a desarrollar.

Criterios de evaluación.

Marco teórico mínimo requerido para su

realización.

La descripción de los prototipos y materiales conlos cuales se realizará la práctica.

Asimismo se propone una secuencia de los

procedimientos experimentales y su análisis, para que con

base en los objetivos planteados en la práctica, escriban

las conclusiones correspondientes, posibilitando al

alumnado la oportunidad de autoevaluar sus prácticas

profesionales.

Los autores agradecemos el apoyo recibido para el

desarrollo de las Prácticas de Tribología al Programa de

Apoyo a Proyectos para la Innovación y Mejoramiento de

la Enseñanza, PAPIME PE100614, UNAM.

Dr. Javier Jiménez García



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PROYECTO PAPIME PE100614, UNAMReglamento

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Reglamento

Existen normas que deben cumplirse estrictamente paraevitar accidentes en el laboratorio de Tribología del Centro

Tecnológico Aragón, en el área de Comportamiento de

Materiales, que a continuación se describe:

1. Para permitir el acceso al laboratorio, es

indispensable el uso de la bata reglamentaria

(blanca, de algodón y manga larga).

2. Para la manipulación de sustancias químicas y

equipos, deben usarse guantes, lentes protectores

y mascarillas.

3. Para las sesiones de laboratorio es recomendable

vestir ropa sencilla, que proteja la mayor parte del

cuerpo y preferentemente de algodón, zapatos

cerrados, con suelas gruesas, sin tacones.

4. Para evitar accidentes quitarse bufandas, pañuelos

largos u objetos que dificulten tu movilidad.

5. Queda restringido el acceso con alimentos o

bebidas al laboratorio.

6. El laboratorio es un espacio 100% libre de humo de

tabaco.

7. Para operar un instrumento o aparato, solicitarapoyo del profesor o técnico del laboratorio, para

adquirir la destreza necesaria.

8. Una vez concluido el uso de un aparato o

instrumento, seguir el procedimiento adecuado

para apagarlo, desconectarlo, guardarlo y

entregarlo al responsable del laboratorio.

9. En caso de producirse un accidente, quemadura o

lesión, comunicarlo inmediatamente al profesor.

http://www.cofepris.gob.mx/AZ/Documents/senaletica_01.pdfhttp://www.cofepris.gob.mx/AZ/Documents/senaletica_01.pdfhttp://www.cofepris.gob.mx/AZ/Documents/senaletica_01.pdfhttp://www.cofepris.gob.mx/AZ/Documents/senaletica_01.pdfhttp://www.cofepris.gob.mx/AZ/Documents/senaletica_01.pdfhttp://www.cofepris.gob.mx/AZ/Documents/senaletica_01.pdf


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PROYECTO PAPIME PE100614, UNAMReglamento

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10. La integración de equipos es de un máximo de

cinco personas por práctica, nombrando un

responsable.

11. La tolerancia máxima para el ingreso al laboratorio

y poder realizar la práctica es de 15 minutos.

12. Para poder realizar la práctica es obligatorio

conocer el contenido temático correspondiente.

13. Durante el desarrollo de la práctica, el equipo es el

responsable de los materiales del laboratorio, en

caso de descomposturas, estos tendrán que

reponer o reparar los mismos.

14. Informar al profesor si algún material está roto o

averiado antes de comenzar la práctica.

15. Al concluir la práctica, el equipo es responsable de

limpiar el equipo y área de trabajo utilizada.

16. Cada integrante del equipo deberá llenar el reporte

de asistencia a la práctica.

17. Las faltas de indisciplina, según su gravedad,

pueden ocasionar la suspensión temporal o

definitiva del alumno(a).

El presente reglamento está basado en los reglamentos

de higiene y seguridad de la UNAM.


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Facultad de EstudiosSuperiores Aragón

Centro Tecnológico Aragón

Área Comportamiento de

Materiales

Ingeniería Mecánica

Laboratorio de Tribología

Práctica 1 ELECTROSCOPIO

Codificación CMJJG-001

Autor Dr. Javier Jiménez García


Aprobado Comité Editorial

FES ARAGÓN CTA

Revisado Ing. Daniel Martin Sánchez Lara

Fecha Emisión 01/08/2015

Páginas 10

PAPIME PE100614, UNAM.


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PRÁCTICA No. 1 LABORATORIO DE TRIBOLOGÍA PROYECTO PAPIME PE100614, UNAMELECTROSCOPIO

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Objetivo general

Que el alumnado comprenda y argumente el

comportamiento del electroscopio con diferentes tipos decargas, para aprender a identificarlas y sea capaz dedescribir y explicar los fenómenos electrostáticos al finalde la práctica.

Objetivos específicos

Explicar el principio Físico de funcionamiento del

Electroscopio. Determinar cualitativamente como cargar positiva

y negativamente un electroscopio por contacto. Determinar cualitativamente el tipo de carga de un

electroscopio. Especificar el tipo de carga que posee un cuerpo

cargado.

Competencias a desarrollar

Diseñar modelos simplificados que describan losfenómenos electrostáticos para comprender sucomportamiento.

Construir y desarrollar argumentaciones válidas,identificando hipótesis y conclusiones.

Capacidad para trabajar en grupo, bajo las políticasdel trabajo colaborativo, el saber escuchar y elsaber expresarse en un entorno de participación,

respeto y liderazgo, involucrando el rigor científico,el aprendizaje y disciplina.

Capacidad de realizar actividades intelectuales dereflexión, análisis y síntesis, que le faciliten la tomade decisiones en situaciones no previstas durantesu formación.

Identificar, interpretar y plasmar los resultadosobtenidos de los experimentos empleando unlenguaje científico.

Búsqueda efectiva y eficiente de informaciónconfiable y pertinente en diversas fuentes.

Criterios de evaluación

Trabajo colaborativo. Registro de observaciones. Modelos de calidad. Cuestionario resuelto. Conclusiones del alumnado


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Equipo del Laboratorio y Materiales

A continuación se enlista el equipo y material requerido

para la elaboración y la implementación de la práctica,tabla 1.

EquipoRequerido

Cantidad Material Cantidad

Electroscopios 2 mbar 1

Barra de Ebonita 2

Barra depolietileno 2

Barra de Vidrio 2

Lámina deacetato

2

Paño 2

Trozo de seda 2

Piel 2

Plataforma consoporte

2

Tabla 1. Material y equipo.

Marco teórico

Los fenómenos eléctricos, desde la antigüedad, han sido

observados con mucho interés. Desempeñando en laactualidad un gran papel en el funcionamiento de muchascosas que nos rodean, como producto de la interacciónde los átomos constitutivos de toda la materia, a través delos electrones. Donde la carga surge como una propiedadinherente de la materia.

Probablemente el ejemplo más citado de la observaciónde la electricidad como fenómeno es el de la atracción quepresentaba una barra de ámbar cuando se frotaba apequeños objetos como pajitas o plumas. Pero cuantasveces nos hemos asombrado, al recibir una descargaelectrostática, ya sea en los pasamanos de un centrocomercial o por hacer contacto con una perilla metálica, eincluso cuando saludamos o rozamos a otra persona.

Normalmente el ser humano se encuentra en presencia de

un gran número de fenómenos electrostáticos, originadosprincipalmente por fricción, ejemplo de ellos son laspequeñas cargas originadas por el peine al pasar por elcabello, o por caminar en una alfombra usando zapatos degoma, donde el proceso de frotamiento causa que seretiren los electrones de la superficie de un material y sereubiquen en la superficie del otro material que ofrece


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niveles energéticos más favorables. O cuando partículasionizadas se depositan en un material, como ocurre en lossatélites al recibir el flujo del viento solar y de los

cinturones de radiación de Van Allen. Es importantemencionar que la capacidad de electrificación de loscuerpos por rozamiento se denomina efecto triboeléctrico.

Asimismo se originan cargas electrostáticas en la mayoríade los aparatos eléctricos de uso doméstico, ejemplo deello son las pantallas, que se cargan después de serusadas durante un intervalo de tiempo; todos estos sonfenómenos de pequeña magnitud que pasan casidesapercibidos pero hay otros en los que la electricidadestática es mucho más apreciable e importante, porejemplo muchas fotocopiadoras e impresoras láserfuncionan gracias a la electricidad estática originada porun rayo de luz sobre un tambor fotosensible y la cargaelectrostática es usada para fijar el polvo de impresión alpapel.

Cabe destacar que cuando un auto viaja a alta velocidada través de aire seco su superficie exterior tambiénadquiere una carga electrostática considerable, de igualmanera las tormentas eléctricas son producidas porcargas electrostáticas en las nubes que interactúan con latierra ionizando el aire y produciendo una gran chispa.

Actualmente existen en el mercado pequeños dispositivosque permiten eliminar las cargas electrostáticas queconstan de un pequeño conductor que eventualmente

disipa las cargas, además se pueden tomar otrasprecauciones para evitar cargas electrostáticas, como porejemplo no poner en contacto superficies aislantes,humidificar el aire, o simplemente establecer un contactoentre el objeto y la tierra.

Para dar respuesta a esta serie de preguntas es necesariocomprender el campo eléctrico, conocer cómo interactúan

las cargas, cuáles son sus propiedades y como dichocampo se relaciona con el entorno cotidiano.En cuanto a sus propiedades, existen dos tipos de cargaseléctricas, positiva y negativa. Las cargas de igual signose repelen y las cargas de signo contrario se atraen. Estoimplica que la carga tiene una tendencia natural a sertransferida entre materiales diferentes.

Asimismo, la carga eléctrica siempre se conserva, asícuando dos objetos inicialmente neutros son cargados alser frotados entre sí, la carga no se crea en el proceso.


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Los objetos se cargan debido a que la carga negativa secarga de un objeto a otro. Un objeto gana cierta cantidadde carga negativa, mientras que el otro pierde una

cantidad igual de carga negativa y por lo tanto queda concarga positiva. Además, recordemos que la carga estacuantizada, presentándose en la naturaleza comopaquetes discretos.

Respectivamente las fuerzas eléctricas pueden actuar através del espacio e incluso producir un efecto cuando nohay contacto físico entre los objetos involucrados, alinteractuar con el campo eléctrico. Ya que éste existe enla región del espacio que rodea un objeto cargado. Y si unobjeto cargado entra en esa región, el campo es el queejerce una fuerza sobre el segundo objeto cargado.

Es importante mencionar que cuando la materia quedaparcialmente cargada, ligado a la interacción entre dosmateriales con diferente electronegatividad, la carga tieneun flujo. Pero en ningún proceso se puede crear o disipar

una carga neta, así la carga total del universo siempre esconstante. Por ello, cuando frotamos plástico con piel, loselectrones migran hacia el plástico dándole una cargaparcial negativa, pero dicha carga parcial tiene igualmagnitud en la piel con signo contrario.

Los fenómenos mencionados relativos al flujo de carganos llevan a pensar en nuevos conceptos, cuando unmaterial permite transportar la carga o no. Todo depende

de la naturaleza química del material, en un sólido sólopodrá desplazarse carga negativa, mientras que sistemasen fase líquida (acuosa) o gaseosa ambas cargas puedentener un flujo.

Cabe mencionar que los electrones en un sólido se podránmover de acuerdo con la naturaleza aislante o conductora

del material. La gran mayoría de los metales sonaltamente conductores, debido a los espacios vacíos quese encuentran en los niveles transicionales de energía porlos cuales los electrones pueden circular; en un materialaislante estos espacios no existen.

Es importante destacar que existen instrumentos demedida diseñados específicamente para confirmar y

determinar la presencia de cargas eléctricas en uncuerpo, en concordancia con los conceptos deconductividad, como es el electroscopio, el cual sedescribirá a continuación.


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Electroscopio

El electroscopio es un instrumento que permite identificar

la presencia de cargas eléctricas en un cuerpo.Detectando la presencia de un objeto cargado mediante elfenómeno de separación de cargas por inducción, y en unconjunto seguido de pasos determinar si dos cuerpostienen la misma carga o no.

Un electroscopio, figura 1, se carga generalmente portransferencia de la carga. Una barra de metal conduce lacarga hasta dos laminillas de oro o aluminio, que porobtener dicha carga, y ser del mismo signo en cadalaminilla, estás se repelerán. Si la magnitud de la cargaaumenta, la fuerza de repulsión será mayor.

Figura 1. Electroscopio.

Procedimiento Experimental

Con base en el objetivo general de la práctica que elalumnado comprenda y argumente el comportamiento delelectroscopio con diferentes tipos de cargas, paraaprender a identificarlas y sea capaz de describir y explicarlos fenómenos electrostáticos al final de la práctica, seplantea la parte experimental en dos secuenciasdidácticas.

Primer secuencia

Primero construiremos dos electroscopios utilizando lossiguientes materiales, tabla 1.

Materiales Cantidad

Matraz 2

Alambre de cobre 4

Corcho 2

Hojas de aluminio 2

Esfera de poliestireno 2

Globo 2

Tabla 2. Materiales requeridos


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Desarrollo

1. Cortar el alambre de cobre considerando la altura

del matraz.2. Perforar el corcho e introducir el alambre de cobre.3. Probar si el corcho cierra herméticamente el

matraz, protegiendo de las corrientes de aire, auncuando se introdujo el alambre

4. Doblar el extremo del alambre que queda en laparte interna del matraz para tener una curvaturaadecuada.

5. Cortar dos trozos de papel aluminio, uniformes entamaño y forma, para poder colocarlos en elextremo del alambre curvado.

6. Una vez instalado en el matraz, al extremo quequeda en la parte superior se le pone una esfera depolietileno cubierta con papel aluminio.

7. Para verificar su funcionamiento, frotar un globo enel cabello de una persona y ponerlo en contacto conel matraz para observar si las láminas de aluminio

sufren o no un desplazamiento.Una vez construidos los dos electroscopios, efectuarla siguiente metodología

A. Producción de cargas positiva y negativa

a) Acerque la varilla de vidrio sin frotar al electrodo

central del electroscopio. ¿Observe que le sucedea las laminillas del electroscopio?.Registre sus observaciones

b) Frotar vigorosamente la varilla de vidrio con la telade seda y nuevamente acérquela al electrodocentral del electroscopio. ¿Qué le sucede a laslaminillas del electroscopio?.Registre lo observado.

c) Toque el electrodo central del electroscopio con lavarilla de vidrio previamente frotada con seda paratransferir la carga. Registre sus observaciones.

d) Para obtener más cargas sobre el electroscopiohabrá que repetir varias veces el proceso defrotación y transferencia. Registre susobservaciones.

e) Para descargar el electroscopio toque con un dedoel electrodo central.

f) Repita los pasos anteriores para los casos con lavarilla de ebonita frotándola con seda.g) Repita el proceso para el caso en que la varilla es

de acrílico y se frota con seda.


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B. Determinación del tipo de carga que tiene uncuerpo.

a) Frote vigorosamente la varilla de polietileno con lalana y acerque el extremo frotado al electrodocentral del electroscopio sin tocarlo. ¿Qué lesucede a las laminillas del electroscopio?.

b) En presencia de la varilla frotada coloque su dedoen el lado opuesto del electrodo central.

c) Después de cierto tiempo y en presencia de lavarilla cargada retire el dedo del electrodo central.¿Se cargaron las laminillas?.

C. Cuerpo cargado positivamente

a) Frotar vigorosamente la varilla de vidrio con la telade seda gruesa (o con lanilla) y se le acerca sintocar la esfera del electrodo del electroscopio. Encaso de que las laminillas del electroscopio seabriesen más, la varilla de vidrio tendrá carga del

mismo signo que la del electroscopio. En casocontrario la varilla tendrá signo opuesto.b) Repita el paso anterior para el caso en que la varilla

que se frota es la varilla de acrílico con lana.

Análisis de datos experimentales

Con base en la experimentación efectuada generarun modelo gráfico que permita explicar cuando lacarga del electroscopio es positiva y negativa porcontacto.

Con base en la experimentación efectuada generarun modelo gráfico que permita explicar cuando lacarga del electroscopio es positiva y negativa por

inducción. Analice e Interprete como podemos mediante elmodelo utilizado conocer el tipo de carga de unelectroscopio.

Con base en los objetivos planteados en la práctica,escriba las conclusiones correspondientes.


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Segunda secuencia

1. Colocar 2 hojas de acetato adyacentes.2. Frotar la hoja superior con un paño.3. Acercar la hoja superior al electroscopio y observar

lo que ocurre.4. Acercar la hoja inferior al electroscopio y observar

lo que ocurre.


Argumentar el comportamiento del electroscopio respectoa las hojas de acetato.

Cuestionario

1. ¿Por qué un cuerpo cargado atrae un trozo depapel (neutro)?

2. ¿Es posible cargar un cuerpo metálico por elmétodo de frotamiento?

3. ¿En qué fenómenos de la vida cotidianaobservamos electricidad estática?, Si estosfenómenos son molestos ¿Cómo podrían evitarse?

4. ¿Cómo influye la humedad del ambiente en ladescarga del electroscopio?


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Conclusiones generales

1. Un material con carga neutra puede adquirir o nouna carga neta positiva o negativa dependiendo delmaterial frotado.

2. Un objeto cargado negativamente, cargarápositivamente a otro si lo hace por inducción, así unobjeto cargado positivamente, lo cargaránegativamente. En general, si se carga un objetopor inducción, éste quedará cargado con el signo

contrario del objeto que lo está cargando.3. Partículas con el mismo signo de carga tenderán arepelerse. Se puede observar lo anterior cuando alcargar el electroscopio aparecía un ángulo entre lasláminas estática y móvil, ya que ambas quedabancargadas con el mismo signo.

4. Partículas de signo contrario tenderán a atraerse.Lo anterior se observa cuando luego de cargar alelectroscopio se le acercaba un objeto con carga de

signo contrario y se observaba una disminución enel ángulo entre las láminas.

5. La facilidad con que un cuerpo adquiere una cargaelectrostática depende no sólo de sus propiedadessino también de las características del medioambiente.

6. La tierra funciona como un gran conductor capaz dedisipar cargas muy rápidamente sin importar si sonpositivas o negativas, por esta razón se usa una

conexión llamada polo a tierra.7. El exceso o defecto de electrones en una carga

electrostática está determinado tanto por el métodopor el que el cuerpo adquiere la carga como por laspropiedades intrínsecas del mismo.

Bibliografía[1] Giancoli, Douglas, “Física, principios con

aplicaciones” , Pearson Educación, 6ª edición,México, 2006.

[2] Tilpler, P. A., “ Física para la ciencia y la tecnología”,Electricidad y magnetismo. Luz. Física moderna

(Vol. 2.), Reverté S.A., México, 2000.[3] Goldemberg, J. Física General y Experimental. Vol

II. Edit. Interamericana. México 1972.[4] Meiners, H. W, Eppenstein. Experimentos de

Física. Edit. Limusa. México 1980.[5] Serway, R. Física. Vol. II Edit Reverte. España1992.

[6] Tipler, p. Física Vol II. Edit Reverte. España 2000.

[7] http://es.wikipedia.org/wiki/Electroscopio

http://es.wikipedia.org/wiki/Electroscopiohttp://es.wikipedia.org/wiki/Electroscopio


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Materiales



Práctica 2 WIMSHURST


AutorDr. Javier Jiménez García


AprobadoComité Editorial

FES ARAGÓN CTA



Páginas 10



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PRÁCTICA No. 2 LABORATORIO DE TRIBOLOGÍA PROYECTO PAPIME PE100614, UNAMWIMSHURST

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Objetivo general


comportamiento de la máquina de Wimshurst, con base ensu diseño y el efecto triboeléctrico, para observar losfenómenos físicos electromagnéticos generados por laacumulación de cargas cuando dos materiales distintos sefrotan entre sí.


Diseño y fabricación de la máquina de Wimshurst

Explicar el principio de funcionamiento de lamáquina de Wimshurst.

Explicar cualitativamente la generación de cargaseléctricas por inducción electrostática.

Determinar la repulsión o atracción eléctrica entreobjetos.

Generar chispas aisladas, intensas y conlongitudes diversas.




Capacidad para trabajar en grupo, bajo las políticas

del trabajo colaborativo, el saber escuchar y elsaber expresarse en un entorno de participación,respeto y liderazgo, involucrando el rigor científico,el aprendizaje y disciplina.


Identificar, interpretar y plasmar los resultados

obtenidos de los experimentos empleando unlenguaje científico.



Trabajo colaborativo.

Registro de observaciones. Modelos de calidad. Cuestionario resuelto. Conclusiones del alumnado.

http://es.wikipedia.org/wiki/Efecto_triboel%C3%A9ctricohttp://es.wikipedia.org/wiki/Carga_el%C3%A9ctricahttp://es.wikipedia.org/wiki/Carga_el%C3%A9ctricahttp://es.wikipedia.org/wiki/Corriente_inducidahttp://es.wikipedia.org/wiki/Corriente_inducidahttp://es.wikipedia.org/wiki/Carga_el%C3%A9ctricahttp://es.wikipedia.org/wiki/Carga_el%C3%A9ctricahttp://es.wikipedia.org/wiki/Efecto_triboel%C3%A9ctrico


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EquipoRequerido


Máquina deWimshurst

1 Cartulina 1

Velas 6

Cerillos 1

Trementina 1Vaso deprecipitado

2

Papel estaño 1

Placa de vidrio 2

Placas dealuminio

2

Soporte aislante 2

Plataforma con

soporte

2

Esfera depoliestireno

6

Papel aluminio 1

Cobre 1

Tijeras 1Tabla 1. Material y equipo.

Marco teórico

La máquina de Wimshurst es un generador

electrostático de alto voltaje desarrollado entre 1880 y1883 por el inventor británico JamesWimshurst (1832 - 1903). Tiene un aspecto distintivo condos grandes discos a contra-rotación (giran en sentidosopuestos) montados en un plano vertical, dos barrascruzadas con cepillos metálicos, y dos esferas de metalseparadas por una distancia donde saltan las chispas. Sebasa en el efecto triboeléctrico, en el que se acumulancargas cuando dos materiales distintos se frotan entre sí.

Su rotación se efectúa con auxilio de un manubrio queactúa sobre dos pares de poleas unidas por una cuerdasin fin, una de ellas cruzada. La cara exterior de cada discolleva pegados cerca de sus bordes varios sectores depapel de estaño, que durante la rotación frotan con dospinceles flexibles de hilo metálico, sostenidos en los

extremos de un arco metálico, figura 1.

Cabe mencionar que este arco y su igual de la caraopuesta son movibles y pueden formar un ángulo de 90º,comunican con el suelo y entre sí por el eje. En losextremos del diámetro horizontal, rodean a los platillos dos

http://es.wikipedia.org/wiki/Generador_electrost%C3%A1ticohttp://es.wikipedia.org/wiki/Generador_electrost%C3%A1ticohttp://es.wikipedia.org/wiki/Voltajehttp://es.wikipedia.org/wiki/Reino_Unidohttp://es.wikipedia.org/wiki/James_Wimshursthttp://es.wikipedia.org/wiki/James_Wimshursthttp://es.wikipedia.org/wiki/1832http://es.wikipedia.org/wiki/1903http://es.wikipedia.org/wiki/Efecto_triboel%C3%A9ctricohttp://es.wikipedia.org/wiki/Efecto_triboel%C3%A9ctricohttp://es.wikipedia.org/wiki/1903http://es.wikipedia.org/wiki/1832http://es.wikipedia.org/wiki/James_Wimshursthttp://es.wikipedia.org/wiki/James_Wimshursthttp://es.wikipedia.org/wiki/Reino_Unidohttp://es.wikipedia.org/wiki/Voltajehttp://es.wikipedia.org/wiki/Generador_electrost%C3%A1ticohttp://es.wikipedia.org/wiki/Generador_electrost%C3%A1tico


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peines metálicos curvos, unidos a conductoresindependientes, aislados por columnas aislantes. Con losconductores se articulan dos excitadores provistos de

mangos de ebonita, para poder variar sin riesgo ladistancia entre las esferas terminales, que son los polosde la máquina.

En comunicación con los dos conductores hay doscondensadores de forma de probetas, que sirven paraaumentar la intensidad y el tamaño de la chispa. Engeneral no es posible saber la polaridad que la máquinatomará una vez la arranquemos. Por eso algunas

máquinas incorporan un trocito de piel que tiene unmínimo de carga de manera que la máquina arrancarásiempre con la misma polaridad. Además la corrienteestática se almacena en botellas de Leyden.

Figura 1. Máquina de Wimshurst.

En una máquina Wimshurst, los dos discos de aislamientoy sus sectores de metal giran en direcciones opuestas quepasan por las barras neutralizadoras cruzadas de metal y

por sus pinceles. Así un desequilibrio de cargas esinducido, amplificado y almacenado por dos pares depeines de metal con los puntos situados cerca de lasuperficie de cada disco.

Debido a que estos colectores se montan sobre un soporteaislante y conectado a una salida terminal. Laretroalimentación positiva, aumenta la acumulación de

cargas en forma exponencial hasta que la tensión deruptura dieléctrica del aire alcanza una chispa.

Cabe mencionar que en el funcionamiento de la máquinaexiste otro principio físico que la rige, el “efecto corona”,

que se presenta cuando el potencial de un conductor en elaire se eleva hasta valores tales que sobrepasan la rigidezdieléctrica del aire que rodea al conductor. Que para

nuestro caso impediría que la tensión se elevase a causade las pérdidas provocadas al ionizar el aire circundante.

La máquina está lista para comenzar, lo que significa quela energía eléctrica externa no es necesaria para crear unacarga inicial. Sin embargo, se requiere energía

http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_mec%C3%A1nicahttp://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_mec%C3%A1nica


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mecánica para tornar los discos en contra el campoeléctrico, y es esta energía que la máquina convierte enenergía eléctrica.

Cabe destacar que la salida de la máquina de Wimshurstes esencialmente una corriente constante, ya que esproporcional al área cubierta por el metal y los sectores ala velocidad de rotación. Por ello, el aislamiento y eltamaño de la máquina determinan la salida de voltajemáxima que se puede alcanzar.

Asimismo la chispa de energía acumulada se puedeaumentar mediante la adición de un par de frascosLeyden, un tipo de condensador adecuado para la altatensión, con los frascos en el interior de las placasconectados en forma independiente a cada una de lasterminales de salida y conectados con las placasexteriores entre sí. Una máquina Wimshurst puedeproducir rayos que son aproximadamente un tercio del

diámetro del disco de longitud y varias decenas demicroamperios.


Con base en el objetivo general de la práctica que elalumnado comprenda y argumente el comportamiento dela máquina de Wimhurst, se plantea la parte experimentalen dos secuencias didácticas.

Primer secuencia

Primero analizaremos el funcionamiento de una máquinade Wimshurst como generadora de cargas electrostáticas.

http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_mec%C3%A1nicahttp://es.wikipedia.org/wiki/Corriente_continuahttp://es.wikipedia.org/wiki/Botella_de_Leydenhttp://es.wikipedia.org/wiki/Botella_de_Leydenhttp://es.wikipedia.org/wiki/Condensador_el%C3%A9ctricohttp://es.wikipedia.org/wiki/Condensador_el%C3%A9ctricohttp://es.wikipedia.org/wiki/Botella_de_Leydenhttp://es.wikipedia.org/wiki/Botella_de_Leydenhttp://es.wikipedia.org/wiki/Corriente_continuahttp://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_mec%C3%A1nica


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Desarrollo

Con base en las partes del generador electrostático, figura

2, se procedió al análisis de su funcionamiento de maneracualitativa.

Figura 2. Partes del generador electrostático 1890.

En general la máquina consta de dos discos en acrílico (ocualquier material dieléctrico) que giran en sentido

contrario con un eje común, en su superficie y de formaopuesta tienen adheridas unas laminillas de aluminio (a),éstas colocadas en forma radial.

La separación de los discos no sobrepasa el mediocentímetro. La carga se genera cuando las laminillasentran en contacto con unos peines de cobre que se

encuentran sujetos a los extremos de una barra aislada dealuminio F, ahí una de las laminillas pierde electrones yestos viajan al otro extremo de la barra donde la laminilla

opuesta los gana, así una laminilla tendrá carga positiva yla otra negativa.

Los discos al girar hacen que estas laminillas cargadas sealineen con otro par de laminillas del disco opuesto quetambién están en contacto con unos peines y estos a otrabarra aislada F`. Ahí las laminillas cargadas inducencargas opuestas en las laminillas del otro disco, esto esconocido como el electróforo de Volta.

A cada lado de los discos tenemos un colector de cargam, n en forma de U, debido al diseño a cada colector lecorresponde un tipo de carga. Estos colectores estánconectados a dos botellas de Leyden L y L`, estoscondensadores tienen un punto común o tierra, que ennuestro caso es un alambre de cobre que está debajo dela base de la máquina.

La máquina es accionada por un sencillo sistema depoleas R, R` y una manivela K. Usualmente las máquinasde Wimshurst tienen unas barras terminadas en esferas A, B que son solidarias a los colectores para apreciar elefecto corona.


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EQUIPO DIDACTICO DE COMPROBACIÓN“DISEÑADO Y FABRICADO MEDIANTE PROYECTO

PAPIME PE100614, UNAM”

Diseño

A continuación se presentan las partes más relevantes deldiseño de la máquina.

Discos: Los discos son de 30 cm. de diámetro y 0.5cm. de espesor. En el centro tenemos un agujero

circular de 1.5 cm. de diámetro. Cada disco tieneadheridos 24 laminillas de aluminio, separadas unade otra por un ángulo de 15º. Así se garantiza queen el espacio entre laminillas se podría colocar otra,punto importante para mejorar la inducción decargas. Las laminillas son de 5.0 cm. de largo conlos bordes redondeados.

Poleas: Del sistema de poleas, para destacar están

las piezas que sostienen a los discos. Son unoscilindros con un diámetro de 3.1 cm., hechas enaluminio. En la parte frontal se les incrusta unrodamiento para mejorar su funcionamiento y paraasegurar los discos tenemos un roscado en la parteposterior para un tornillo hueco. La polea inferior esun disco de 7.0 cm. de diámetro.

Colectores de carga: Son alambres de cobre Cal.10 doblados en U, de tal manera que las puntas

tiene una distancia de 4 cm. Se perforaron unosagujeros de 0.1 cm. para que en ellos se pudieranincrustar puntas metálicas (puntillas de acerolimadas), a cada lado se colocaron cinco puntas,separadas entre sí por 0.5 cm.

Los colectores están unidos a la maquina por unabarra de acrílico de 28 cm. de largo, que permiteque pase por su centro el eje, a los extremos

encontramos unos bases de acero para loscolectores y las barras terminadas en esferas.También de allí bajan unas barras para conectar lasbotellas de Leyden.

Peines: Se hace una trenza con alambre delgadode no más de 3 cm. de larga. Esta es sujetada porun tornillo y un buje a la barra aislada, esta barra esde Aluminio de 27 cm. de larga, 2.4 cm. de ancha y0.4 cm. de espesor, sus bordes están contorneadospara evitar cualquier punta y en el centro tiene unagujero de 1.1 cm. de diámetro, en este para dejaraislada eléctricamente la barra del resto de lamaquina se ponen unos bujes de plástico quereducen el diámetro a 5/16 pulgadas.


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Se pueden sustituir estos bujes por cualquier otromaterial dieléctrico, como la cinta de teflón.

Eje: A excepción de las botellas de Leyden, todo lodemás se soporta en el eje, esté es de acero de 25cm. de largo en la mitad tenemos un cilindro de 3.0cm. de largo 0.94 cm. y de ancho, en la mitad deeste es un poco más ancho para garantizar que losdiscos no se frenen entre sí. El resto del eje tieneun roscado de 5/16 pulgadas, con cuatro tuercaspara asegurar la máquina,

Base: Su superficie es de madera de 45x21 cm.,tiene una altura de 24 cm.

Segunda secuencia

Una vez analizado el funcionamiento y las partesconstitutivas de la máquina de Wimshurst llevar a cabo lasiguiente metodología.

h) Colocar las dos esferas metálicas terminales lo másalejadas posibles y acércalas poco a poco alaccionar la máquina. Registre sus observaciones.

i) Si colocamos próximas las dos esferas terminalesde los excitadores, se producirá una chispacontinua entre ellas. Registre sus observaciones.

j) Coloque una cartulina entre las dos esferascondensadoras de la máquina de Wimshurst yhágala funcionar. Registre sus observaciones.

k) Colocar una vela encendida muy cerca de cada unade las dos esferas metálicas cuando se tenga unachispa continua. Registre sus observaciones.Indique por medio de la atracción, cuál es el polo

negativo y el positivo.

l) Aleje lo más posible las dos esferillas terminales delos excitadores, estando en comunicación los doscondensadores de la máquina y hágala funcionar,espere un momento y aproxime las dos esferillasexcitadoras. Registre sus observaciones. Se puederegular la intensidad de la chispa y su longitud?

m) Coloque esencia de trementina en un vaso deprecipitado y acérquelo a cada una de lasterminales de los excitadores de la máquina deWimshurst en funcionamiento. Registre susobservaciones. En que terminal existe atracción orepulsión eléctrica?


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n) Moviendo con una mano la manecilla de la máquinade Wimshurst, mantenga las esferillas excitadoras

separadas para que no salte la chispa entre ellas, yacerque los dedos de la otra mano a una de estasesferillas excitadoras. Registre sus observaciones.La longitud de las chispas dependen de la carga dela máquina de Wimshurst.

o) Coloque tiras de papel de estaño, pegadas en zig -zag sobre una placa de vidrio y con dos caimanesconecte las barras de descarga en sus dos

extremos y haga funcionar la máquina. Registre susobservaciones.

p) Mediante dos caimanes conectar las barras dedescarga a dos placas de aluminio con soporteaislante, para transferir el potencial eléctrico a lasplacas con el funcionamiento de la máquina.

Al accionar la máquina de Wimshurst aleje yacerque las placas de aluminio. Registre susobservaciones.

Se cargaron las placas de aluminio. Influye la superficie de las placas de aluminio

para la observación?

Tenemos la presencia de un dieléctrico en elexperimento?

En qué zona de las placas ocurre la descarga al

acercarlas? Con la ayuda del soporte coloque entre las

placas, una esfera de poliestireno recubierta dealuminio. Registre sus observaciones.

¿Qué le sucede a la pelota al accionar lamáquina?.

Acerque una vela encendida entre las placas dealuminio? Registre sus observaciones?

q) Mediante un caimán conectar una barra dedescarga al soporte aislante de una estrella decobre que gira libremente, para transferir elpotencial eléctrico a la estrella con elfuncionamiento de la máquina.

¿Observe que le sucede a la estrella de cobre alaccionar la máquina? Registre susobservaciones.

Acerque su mano a la estrella. Se afecta sumovimiento?

Acerque una vela encendida a la estrella?Registre sus observaciones?


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Cuestionario

5. ¿Es factible observar la repulsión entre cargas delmismo género y atracción de las opuestas con lamáquina de Wimshurst?

6. ¿Es posible polarizar los dieléctricos para poderinducir cargas?

7. Con el funcionamiento de la máquina podemoscomprobar la existencia de la carga eléctrica?

Conclusiones

Con base en los objetivos planteados en la práctica,argumente el comportamiento de la máquina deWimshurst.

Bibliografía

[1] Aparicio Arturo, Coronado Maurilio. “Diseño y

construcción de una máquina de Wimshurst parala enseñanza de la electrostática”. Revista

colombiana de Física Vol. 36, Nº 2. 2004. pp. 430.[2] J.R. Reitz, F.J. Milford, Fundamentos de la teoría

electromagnética, Fondo EducativoInteramericano, México, 1984.

[3] Tilpler, P. A., “ Física para la ciencia y la tecnología”,Electricidad y magnetismo. Luz. Física moderna

(Vol. 2.), Reverté S.A., México, 2000.

[4] Meiners, H. W, Eppenstein. Experimentos deFísica. Edit. Limusa. México 1980.

[5] Serway, R. Física. Vol. II Edit Reverte. España1992.

[6] Tipler, P. Física Vol II. Edit Reverte. España 2000.[7] http://es.wikipedia.org/wiki/MáquinaWimshurst[8] http://www.coe.ufrj.br/~acmq/electrostatic.html

http://es.wikipedia.org/wiki/M%C3%A1quinaWimshursthttp://www.coe.ufrj.br/~acmq/electrostatic.htmlhttp://www.coe.ufrj.br/~acmq/electrostatic.htmlhttp://es.wikipedia.org/wiki/M%C3%A1quinaWimshurst


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Materiales



Práctica 3GENERADOR DEVAN DE GRAAFF





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PRÁCTICA No. 3 LABORATORIO DE TRIBOLOGÍA PROYECTO PAPIME PE100614, UNAMGENERADOR DE VAN DE GRAAFF

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Objetivo general


funcionamiento del Generador de Van de Graaff parainducir dipolos en distintos cuerpos y explicar losfenómenos de atracción y repulsión eléctrica al final de lapráctica.


Explicar el principio Físico de funcionamiento del

Generador de Van de Graaff. Realizar mediciones indirectas de carga y verificar

si ciertos cuerpos están cargados. Comprobar y visualizar los efectos de punta. Realizar mediciones directas de potencial eléctrico. Aislar un cuerpo de los efectos de un campo

eléctrico.




Capacidad para trabajar en grupo, bajo las políticasdel trabajo colaborativo, el saber escuchar y elsaber expresarse en un entorno de participación,

respeto y liderazgo, involucrando el rigor científico,el aprendizaje y disciplina.





Trabajo colaborativo.

Registro de observaciones. Modelos de calidad. Cuestionario resuelto. Conclusiones del alumnado. Rúbrica de evaluación.


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EquipoRequerido


Generadorde Van de

Graaff1

Agujametálica

2

Vela 2

Llavestillson

2

Bronce. 2

Mechón depelo

2

Caimanes 4

Flanerasde aluminio

2

Papelhigiénico 1

Papelaluminio

1

Cintaadhesiva

1


Marco teórico

Para poder comprender y argumentar el funcionamiento

del Generador de Van de Graaff es necesario definir porsu contexto el campo producido por un conductor esféricocargado empleando el teorema de Gauss.

El teorema de Gauss afirma que el flujo del campoeléctrico a través de una superficie cerrada es igual alcociente entre la carga en el interior de dicha superficiedividido entre e0.

Matemáticamente,

Consideremos una esfera hueca de radio R cargada conuna carga Q, figura 1. La aplicación del teorema de Gaussrequiere los siguientes pasos:

Figura 1. Esfera hueca de radio R.


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1. A partir de la simetría de la distribución de

carga, determinar la dirección del campoeléctrico.

Como la distribución de carga tiene simetría esférica, porlo tanto, la dirección del campo es radial.

2. Elegir una superficie cerrada apropiada paracalcular el flujo

Tomando como superficie cerrada, una esfera de radio r.

El campo E es paralelo al vector superficie dS, y el campoes constante en todos los puntos de la superficie esféricapor lo que,

∫ ∙ =

∫ ∙ ∙ c o s 0 ° =

∫ = ∙ 4

Donde el flujo total es · 4 3. Determinar la carga que hay en el interior de la

superficie cerrada A. r


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El campo en el exterior de la esfera conductora cargadacon carga Q, tiene la misma expresión que el campoproducido por una carga puntual Q situada en su centro.

Potencial de la esfera conductora

Se denomina potencial a la diferencia de potencial entreun punto P a una distancia r del centro de la esfera y elinfinito.

Como el campo en el interior de le esfera conductora escero, el potencial es constante en todos sus puntos. Elpotencial en la superficie de la esfera es el áreasombreada (figura de la derecha)

Se denomina capacidad de la esfera (más adelante

definiremos esta magnitud) al cociente entre la carga y supotencial, C=Q/V=4p e0R.

Potencia del motor que mueve la correa

Supóngase que la diferencia de potencial entre el

conductor hueco del generador de Van de Graaff y elpunto sobre el cual se esparcen las cargas sobre la correaes V, figura 3. Si la correa proporciona carga positiva a laesfera a razón de i amperes. Determinar la potencianecesaria para mover la polea en contra de las fuerzaseléctrica.

El trabajo que hay que realizar para que unacarga dq positiva pase de un lugar en el que el potencial

es cero a otro en el que el potencial V es

dW=Vdq

La potencia

Figura 3. Representación de la diferencia de potencial.

http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/elecmagnet/campo_electrico/plano/plano.htmhttp://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/elecmagnet/campo_electrico/campo/campo.htm#Trabajo%20realizado%20por%20el%20campo%20el%C3%A9ctricohttp://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/elecmagnet/campo_electrico/campo/campo.htm#Trabajo%20realizado%20por%20el%20campo%20el%C3%A9ctricohttp://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/elecmagnet/campo_electrico/plano/plano.htm


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Para el generador de Van de Graaff de nuestro laboratorioque transporta en la correa una carga máxima 6 mC encada segundo, desde un potencial 0 a un potencial

máximo de 200 kV, la potencia será P=200·103·6·10-6=1.2 W

Fuerza electromotriz

Debido a que en el Generador de Van de Graaff las cargaspositivas se mueven en dirección contraria al campoeléctrico, en el que el potencial aumenta, y las negativasen la misma dirección que el campo, en el que el potencial

disminuye. La fuerza o la energía necesaria para estetransporte de cargas lo realiza el motor que "bombea" lascargas. Por ello, a continuación se define que es la fuerzaelectromotriz.

Se denomina fuerza electromotriz o fem Ve al trabajo porunidad de carga que realiza el dispositivo. Aunque la

unidad de la fem es la misma que la de una diferencia depotencial, se trata de conceptos completamentediferentes. Una fem produce una diferencia de potencialpero surge de fenómenos físicos cuya naturaleza no esnecesariamente eléctrica (en el generador de Van deGraaff es mecánica, en una pila es de naturaleza química,magnética, etcétera).

Una fem es un trabajo por unidad de carga, este trabajo

no lo realiza necesariamente una fuerza conservativa,mientras que la diferencia de potencial es el trabajo porunidad de carga realizado por una fuerza eléctrica que esconservativa.

Campo en el interior de un condensador

Un condensador o capacitor es un dispositivo formado pordos conductores (denominados armaduras),generalmente con forma de placas, cilindros o láminas,separados por el vacío o por un material dieléctrico (noconduce la electricidad), que se utiliza para almacenarenergía eléctrica.

La forma más sencilla de un condensador consiste en dos

placas metálicas muy cercanas entre sí con cargas q enuna y -q en la otra. Este tipo de condensador sedenomina plano-paralelo.


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El módulo del campo eléctrico creado por cada una de lasplacas del condensador, como se ha visto en el ejemploanterior, viene dado por:

Las líneas del campo eléctrico creado por la placa cargadapositivamente están dirigidas hacia fuera de la misma, locontrario que ocurre para la placa con carga negativa,figura 4.

Figura 4. Líneas del campo eléctrico.

Por lo tanto, en el exterior del condensador el campo esnulo y en el interior su módulo es el doble del campo quecrearía una sola de las placas:

Los condensadores se utilizan en circuitos electrónicoscomo dispositivos para almacenar energía. El primercondensador fue fabricado en 1746, y estaba constituidopor un recipiente de vidrio recubierto por una láminametálica por dentro y por fuera. Se conoce comúnmentecomo botella de Leiden.

Una vez revisado el marco teórico se procederá a ladescripción del generador.

Generador de Van de Graaff

El generador de Van de Graaff, figura 5, es una máquina

electrostática que utiliza una cinta móvil para acumulargrandes cantidades de carga eléctrica en el interior de unaesfera metálica hueca, constituyéndose en un generadorde corriente constante. Pudiendo alcanzar hastadiferencias de potencial de 5 mega voltios, con muydiversas aplicaciones que incluyen la producción de rayos

http://es.wikipedia.org/wiki/Botella_de_Leydenhttp://es.wikipedia.org/wiki/Botella_de_Leydenhttp://es.wikipedia.org/wiki/Botella_de_Leydenhttp://es.wikipedia.org/wiki/Botella_de_Leyden


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X, esterilización de alimentos y experimentos de física departículas y física nuclear.

Figura 5. Generador de van de Graaff.

Está constituido por: a) una esfera hueca conductora de25 cm de diámetro; b) una banda sin fin de goma látex de4 cm de ancho y 120 cm de largo, que permite el

transporte de las cargas, c) un sistema de dos rodillosguías para conducir la banda aislante de goma, los cualesson impulsados por un motor eléctrico cuya velocidadpuede variarse a través de un dispositivo reostático; d) unrodillo superior de resina que gira libremente por acción dela cinta; e) un rodillo inferior de resina que es impulsadopor la polea motora; f) un elemento de fricción revestidode fieltro que actúa sobre el rodillo inferior; g) doselectrodos tipo cepillo de acero, para transferencia de las

cargas; h) Una estructura de material plástico aislante(acrílico), que es el soporte del conjunto.

En la figura 6, se muestra el esquema del generador deVan de Graaff. Un conductor metálico hueco A de formaaproximadamente esférica, está sostenido por soportesaislantes de plástico, atornillados en un pié metálico Cconectado a tierra. Una correa o cinta de goma (noconductora) D se mueve entre dos poleas E y F. La polea

F se acciona mediante un motor eléctrico. Dos peines G yH están hechos de hilos conductores muy finos, estánsituados a la altura del eje de las poleas. Las puntas delos peines están muy próximas pero no tocan a la cinta.


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Figura 6. Esquema del Generador de Van de Graaff.

Como se puede observar la rama izquierda de la cintatransportadora se mueve hacia arriba, transportando unflujo continuo de carga positiva hacia el conductor hueco A. Al llegar a G y debido a la propiedad de las puntas secrea un campo lo suficientemente intenso para ionizar elaire situado entre la punta G y la cinta. El aire ionizadoproporciona el medio para que la carga pase de la cinta ala punta G y a continuación, al conductor hueco A, debidoa la propiedad de las cargas que se introducen en elinterior de un conductor hueco (cubeta de Faraday).

Funcionamiento del generador de Van de Graaff

Para comprender su funcionamiento, es necesario

explicar cómo adquiere la cinta la carga que transportahasta el terminal esférico.

En primer lugar, se electrifica la superficie de la poleainferior F debido a que la superficie de la polea y la cintaestán hechas de materiales diferentes. La cinta y lasuperficie del rodillo adquieren cargas iguales y de signocontrario.

Sin embargo, la densidad de carga es mucho mayor en lasuperficie de la polea que en la cinta, ya que las cargas seextienden por una superficie mucho mayor

Supongamos que hemos elegido los materiales de la cintay de la superficie del rodillo de modo que la cinta adquierauna carga negativa y la superficie de la polea una cargapositiva, tal como se ve en la figura.

Si una aguja metálica se coloca cerca de la superficie dela cinta, a la altura de su eje. Se produce un intensocampo eléctrico entre la punta de la aguja y la superficiede la polea. Las moléculas de aire en el espacio entreambos elementos se ionizan, creando un puente

http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/elecmagnet/campo_electrico/cubeta/cubeta.htm#Transferencia%20de%20cargahttp://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/elecmagnet/campo_electrico/cubeta/cubeta.htm#Transferencia%20de%20carga


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conductor por el que circulan las cargas desde la puntametálica hacia la cinta.Las cargas negativas son atraídas hacia la superficie de

la polea, pero en medio del camino se encuentra la cinta,y se depositan en su superficie, cancelando parcialmentela carga positiva de la polea. Pero la cinta se mueve haciaarriba, y el proceso comienza de nuevo, figura 7.

Figura 7. Proceso de transporte de cargas.

La polea superior E actúa en sentido contrario a la inferiorF. No puede estar cargada positivamente. Tendrá que

tener una carga negativa o ser neutra (una polea cuyasuperficie es metálica).

Existe la posibilidad de cambiar la polaridad de las cargasque transporta la cinta cambiando los materiales de lapolea inferior y de la cinta. Si la cinta está hecha de goma,y la polea inferior está hecha de nylon cubierto con unacapa de plástico, en la polea se crea una carga negativa yen la goma positiva. La cinta transporta hacia arriba lacarga positiva. Esta carga como ya se ha explicado, pasaa la superficie del conductor hueco.

Si se usa un material neutro en la polea superior E la cintano transporta cargas hacia abajo. Si se usa nylon en lapolea superior, la cinta transporta carga negativa haciaabajo, esta carga viene del conductor hueco. De estemodo, la cinta carga positivamente el conductor huecotanto en su movimiento ascendente como descendente.


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Con base en el objetivo general de la práctica que elalumnado comprenda y argumente el funcionamiento delGenerador de Van de Graaff, para inducir dipolos endistintos cuerpos y explicar los fenómenos de atracción yrepulsión eléctrica al final de la práctica, se plantea la parteexperimental en dos secuencias didácticas.

Primer secuencia

Primero se construyó el generador de Van de Graaffutilizando los siguientes materiales, tabla 2, figura 8.

Materiales CantidadSemiesfera hueca de Aceroinoxidable

2

Acrílico 2Tubo de PVC 1Motor eléctrico 1Banda de látex 2

Rodillos guías 6Teflón 1Barra de polietileno 1Papel aluminio 1Malla de aluminio 2Caimanes 1Madera 1

Tabla 2. Materiales requeridos.



Figura 8. Van de Graaff didáctico.

Características del generador de Van de Graaff:

Diámetro de la esfera conductora 21 cm. Capacidad 15 pF. Tensión máxima 150-200 kV. Máxima corriente 6 m.


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Una vez construido el generador de Van de Graaff ,efectuar la siguiente metodología.

A. Efecto de carga de pequeños cuerpos yposterior repulsión de los mismos.

1. Colocar un trozo de papel higiénico cortado enflecos pegado con unas cintas adhesivas.Encender el generador. Registre susobservaciones.

2. Colocar pequeños trozos de papel de aluminiosobre la esfera del generador, luego se le damarcha. Registre sus observaciones. Que efecto seproduce.

3. Apilar moldes de aluminio en la superficie yencender el generador. Registre susobservaciones.

4. Colocar un mechón de cabello con cinta adhesivaen la parte central. Accionar el generador. Registre

lo observado.

B. Viento iónico

Pegar con cinta una aguja metálica en la parte

superior de la cúpula con la aguja señalando haciaarriba. Encender el generador y posteriormenteacercar una vela encendida. Registre susobservaciones. La llama sufre algúndesplazamiento. Este experimento puede provocarla ionización de todo el ambiente.

Hacer que un compañero se coloque sobre unasuperficie aislante y se acerque a la punta de laaguja y que después de un lapso toque a un

compañero. Registre sus observaciones. Describael fenómeno ocurrido.

Insertar en la parte superior de la aguja un mechónde pelo, para demostrar el efecto de la cargaelectrostática sobre filamentos. Registre susobservaciones.

C. Descarga de chispas (rayos)

Encender el generador y acercar utilizando unallave stillson un trozo de bronce. Registre loocurrido. Puede incrementar la longitud de la chispacon otro material. La humedad del ambiente influye.


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Conecte un caimán al generador y coloque la otrapunta en un recipiente metálico. Registre susobservaciones.

D. Carga de una persona

Subir a una persona delgada, con cabello largo, lacio ylimpio sobre poliestireno expandido y hacerla tocar laesfera del Generador de Van de Graaff apagado ydescargado y luego lo ponemos en marcha. Registre susobservaciones. Explique el fenómeno ocurrido.


Con base en la experimentación efectuada generarun modelo gráfico que permita explicar losfenómenos ocurridos.

Nota: Evitar recibir descargas extremas.

Conclusiones De acuerdo a los objetivos planteados en la práctica,

escriba las conclusiones correspondientes.

Bibliografía[1] Giancoli, Douglas, “Física, principios con

aplicaciones”, Pearson Educación, 6ª edición,

México, 2006.

[2] Tilpler, P. A., “Física para la ciencia y la tecnología”,Electricidad y magnetismo. Luz. Física moderna(Vol. 2.), Reverté S.A., México, 2000.

[3] Goldemberg, J. Física General y Experimental. VolII. Edit. Interamericana. México 1972.

[4] Meiners, H. W, Eppenstein. Experimentos deFísica. Edit. Limusa. México 1980.

[5] Serway, R. Física. Vol. II Edit Reverte. España1992.


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Materiales



Práctica 4 ROTOR





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PRÁCTICA No. 4 LABORATORIO DE TRIBOLOGÍA PROYECTO PAPIME PE100614, UNAMROTOR

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Objetivo general

Que el alumnado comprenda y argumente elcomportamiento del Rotor, para aprender a identificar lasfuerzas que actúan en el sistema.


Explicar el principio Físico del funcionamiento delRotor.

Determinar qué tipo de aceleración se presenta.

Determinar el coeficiente de fricción para impedirque caiga el pasajero.

Indicar si el coeficiente de fricción depende delpeso del pasajero.



Capacidad para trabajar en grupo, bajo las políticasdel trabajo colaborativo, el saber escuchar y elsaber expresarse en un entorno de participación,respeto y liderazgo, involucrando el rigor científico,el aprendizaje y disciplina.





Trabajo colaborativo. Registro de observaciones. Modelos de calidad. Cuestionario resuelto. Conclusiones del alumnado.


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A continuación se enlista el equipo y material requeridopara la elaboración y la implementación de la práctica,tabla 1.

EquipoRequerido


Rotor 1

Sujeto para

prueba 1 Aditamentos 3

Lona 2

Lana 2


Marco teórico

En muchos parques de diversiones encontramos un juego

que se llama el rotor. El rotor es un cuarto cilíndrico vacíoque se puede poner en rotación alrededor del eje verticaldel cilindro. Una persona entra en el rotor, cierra la puertay se para contra la pared. El rotor aumenta gradualmentesu velocidad de rotación a partir del reposo, hasta que, auna velocidad predeterminada, el piso en el que esta lapersona se abra hacia abajo dejando ver un pozoprofundo, el pasajero no cae sino que queda prendidocontra la pared del rotor, figura 1.

Figura 1. Rotor.


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Con base en el objetivo general de la práctica que el

alumnado comprenda y argumente el comportamiento delRotor, para aprender a identificar las fuerzas que actúanen el sistema, se llevarán a cabo las siguientessecuencias.

Primer secuencia

a) Qué tipo de aceleración se presenta, figura 2.

Figura 2. Representación de las fuerzas que actúan enel rotor

Efectuando el análisis de fuerzas de la figura 2:

Se tienen 3 fuerzas descritas, la fuerza , .Como la fuerza normal es un vector que recorretoda la circunferencia con una distancia al eje degiro ⃗ y que no cambia en ningún momento, por lotanto es una aceleración centrípeta.

ó


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Segunda secuencia

b) Determinar el coeficiente de fricción para impedirque caiga.

Dibujando el diagrama de cuerpo libre, figura 3.

Figura 3. Diagrama de cuerpo libre.

Realizando las sumatorias de fuerzas en los 2 ejes:

∑ = − … … … . 1

∑ = … … … .2

Como: = y = , Igualando a cero la ecuación (1) queda como:

− = 0 Se despeja al coeficiente de fricción dinámico

− + =

=

= Despejando a N:

− + = =

= ………3


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Ya que el pasajero no se mueve verticalmente, y queexperimenta en cualquier instante una aceleración radial

=

⃗, N se puede escribir como:

=

⃗ … … … 4

Igualando (3) y (4) =

⃗

Despejando el coeficiente de fricción:

=

⃗

⃗= ⃗⃗

= ⃗

=⃗

= ⃗

=

Tercer secuencia

c) Indique si el coeficiente de fricción depende del peso delpasajero, figura 4.

Figura 4. Pasajeros suspendidos en el rotor con distinto peso.

En la ecuación obtenida en el inciso anterior, el coeficientede fricción depende de la gravedad, vector de posición yde la velocidad instantánea, por lo tanto:

El coeficiente de fricción

No depende del peso del pasajero


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Cuarta secuencia

A continuación se muestran las vistas isométricas para laimplementación de la práctica, figura 5 y 6.



Figura 5. Vista Isométrica.

.

Figura 6. Vista superior y frontal.


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Desarrollo

8. Conectar el equipo de comprobación “Rotor”, figura7, al tomacorriente.

9. Introducir al pasajero (muñeco) en el plato central.10. Encender el equipo para poner en rotación,

mediante el motor dc, el primer plato alrededor deleje vertical.

11. Incrementar gradualmente la velocidad de rotacióna partir del reposo.

12. Una vez que se tenga la velocidad predeterminada,accionar el segundo plato, por medio delservomotor, para llevar a cabo un desplazamiento

de 180° del eje vertical.13. Anotar las observaciones del experimento.14. Regresar el segundo plato a su posición original.15. Disminuir la velocidad de rotación gradualmente.16. Apagar el equipo.17. Intercambiar los materiales que utiliza el pasajero,

así como los recubrimientos de las paredes delrotor y repetir la secuencia indicada.

18. Verificar que en cada caso el pasajero quedeprendido contra la pared del rotor.

Figura 7. Rotor Didáctico.


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Con base en la experimentación efectuadacomparar las secuencias generadas para suverificación.

Analice e Interprete como podemos mediante elmodelo utilizado conocer el tipo de aceleración y elcoeficiente de fricción.

Como dato práctico, el coeficiente de fricción entre

el material textil (ropa) y una pared típica de rotor(lona) es de cerca de 0.40.

Conclusiones

Con base en los objetivos planteados en la práctica,

escriba las conclusiones correspondientes.

Bibliografía[1] Resnick, Robert, “Física”, CECSA, 6ª edición,

México, 1999.[2] Giancoli, Douglas, “Física, principios con

aplicaciones” , Pearson Educación, 6ª edición,

México, 2006.[3] Burbano S., Burbano E., Gracia C. “FísicaGeneral”. Editorial Tebar (2004)

[4] Tipler P. A. Física. Editorial Reverté (1994).[5] Serway, “Física”, Editorial McGraw-Hill (1992).


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Materiales



Práctica 5 FRICCIÓN CINÉTICA





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PRÁCTICA No. 5 LABORATORIO DE TRIBOLOGÍA PROYECTO PAPIME PE100614, UNAMFRICCIÓN CINÉTICA

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Objetivo general

Que el alumnado comprenda y argumente el coeficientede fricción cinético.


Establecer la magnitud de la aceleración de uncuerpo que se desplaza de manera rectilínea sobreun plano.

Determinar los coeficientes de fricción entrediferentes parejas de materiales.








Trabajo colaborativo. Registro de observaciones. Modelos de calidad. Cuestionario resuelto. Conclusiones del alumnado.

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A continuación se enlista el equipo y material requeridopara la elaboración y la implementación de la práctica,tabla 1.

EquipoRequerido


Base 1

Cubo con diferentessuperficies sobre

cada una de lascaras

1

Contrapesos 2Resortes 2

SuperficiesIntercambiables

5

CronómetroDinamómetro 1


Marco teórico

Cuando un cuerpo está en contacto con una superficie, sepresenta una fuerza que actúa sobre él. Esta fuerza recibeel nombre de fuerza de fricción, la cual se define como unafuerza que se opone al deslizamiento de un cuerpo sobreuna superficie.

Los factores que originan la fricción son:

El rozamiento: lo ocasionan las irregularidades

de la superficie en contacto. Cuanto más ásperas sean las superficies,

mayor será la fricción.

El peso de los cuerpos en contacto. Si el pesoes mayor, mayor será la fricción.

Es la resistencia, de magnitud considerada constante, quese opone al movimiento pero una vez que éste ya

comenzó.

La fuerza cinética, en cambio, es igual al coeficiente derozamiento dinámico, denotado por la letra griega , porla normal en todo instante.

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Esta fuerza se presenta cuando se rompe el estado dereposo y el cuerpo inicia un movimiento. La magnitud dela fuerza de rozamiento cinético disminuye y se definecomo la fuerza que se opone al movimiento de los cuerpos

están en contacto y su magnitud es directamenteproporcional a la fuerza normal.

El coeficiente de fricción cinética o dinámico (µk) se definecomo El cociente entre la fuerza de fricción cinética odinámica y la fuerza normal. Su valor depende de lanaturaleza de las superficies en contacto.

µk = Fk/N …(1)

El coeficiente de fricción cinética o dinámica (µk) se definecomo el coeficiente entre la fuerza de fricción, cinética ydinámica y la fuerza normal. Su valor depende de la fuerzade las superficies en contacto, figura 1.

Figura 1. Fricción cinética.

Dado un cuerpo en movimiento sobre una superficiehorizontal, deben considerarse las siguientes fuerzas:

F: la fuerza aplicada. Fr: la fuerza de rozamiento entre la superficie de

apoyo y el cuerpo, y que se opone al movimiento. Fi: fuerza de inercia, que se opone a la

aceleración de cuerpo, y que es igual a la masadel cuerpo m por la aceleración que sufre a.

P: el peso del propio cuerpo, igual a su masa porla aceleración de la gravedad.

N: la fuerza normal, que la superficie hace sobre elcuerpo sosteniéndolo.

Como equilibrio dinámico, se puede establecer que:

= …(2) − = …(3)

Sabiendo que:

= =

− = =

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la segunda ecuación de equilibrio dinámico será:

= + es decir, la fuerza resultante F aplicada a un cuerpo esigual a la fuerza de rozamiento Fr más la fuerza de inerciaFi que el cuerpo opone a ser acelerado. De lo que tambiénse puede deducir:

Con lo que se tiene la aceleración a que sufre el cuerpo,al aplicarle una fuerza F mayor que la fuerza derozamiento Fr con la superficie sobre la que se apoya.

Rozamiento dinámico

En el caso de rozamiento dinámico en un plano inclinado,se tiene un cuerpo que se desliza, y siendo que está en

movimiento, el coeficiente que interviene es el dinámico,así como una fuerza de inercia Fi, que se opone almovimiento, el equilibrio de fuerzas se da cuando:

Descomponiendo los vectores en sus componentesnormales y tangenciales se tiene:

=

− = Teniendo en cuenta que:

= = =

Y como en el caso de equilibrio estático, se tiene:

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Con estas ecuaciones se determina las condiciones deequilibrio dinámico del cuerpo con fricción en un planoinclinado. Si el cuerpo se desliza sin aceleración (avelocidad constante) su fuerza de inercia Fi será cero, y

se puede ver que:

Esto es, de forma semejante al caso estático:

Con lo que se puede decir que el coeficiente derozamiento dinámico de un cuerpo con la superficie de unplano inclinado, es igual a la tangente del ángulo del planoinclinado con el que el cuerpo se desliza sin aceleración,con velocidad constante, por el plano.

Desarrollo

1. Seleccionar un tipo de cara usando el cubo,

después se colocará sobre una superficie en labase.2. Colocar el contrapeso recomendado (1 kilogramo),

figura 2.

Figura 2. Cara seleccionada.

3. Se soltara el contrapeso y por medio delcronometro se medirá el tiempo en el cual se mueva

el cubo además se medirá la distancia que recorreel cubo.

4. Se regresaran los elementos a una posición inicialy se repetirá el procedimiento para cada una de lassuperficies intercambiables de la base, figura 3.



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Figura 3. Superficie seleccionada.

5. Se girara el cubo recomendado para la práctica

realizando las combinaciones posibles entre lascaras del cubo y las superficies intercambiables dela base.

6. Llenar las tablas con los datos solicitados, paracada una de las combinaciones, usando lasformulas mencionados en la teoría.

Tablas

MATERIAL MTS FUERZA K FUERZA NORMAL µconcreto loseta

vinílica

9.8 9.8 6.37

tela 9.8 9.8 6.37yeso 9.8 9.8 6.37lija 9.8 9.8 6.37

MATERIAL MTS FUERZA K FUERZA NORMAL µ

lija losetavinílica

9.8 9.8 6.37

tela 9.8 9.8 6.37

yeso 9.8 9.8 6.37

lija 9.8 9.8 6.37


vidrio losetavinílica

9.8 9.8 6.37

tela 9.8 9.8 6.37

yeso 9.8 9.8 6.37

lija 9.8 9.8 6.37



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Con base en la experimentación efectuadacomparar las secuencias generadas para suverificación.

Analice e Interprete como podemos mediante elmodelo utilizado aplicar una fuerza normal.

Mediante el modelo podemos visualizar la fuerza de

rozamiento. Con los datos obtenidos se puede calcular elcoeficiente de fricción dinámica.

Al realizar los experimentos se puede observar lareacción que provoca el resorte respecto a la masa

Existe una variación del recorrido al utilizar diversosmateriales.

Influye el tamaño (área de contacto) al realizar losexperimentos.


loseta losetavinílica

9.8 9.8 6.37

tela 9.8 9.8 6.37

yeso 9.8 9.8 6.37

lija 9.8 9.8 6.37


papel loseta

vinílica

9.8 9.8 6.37

tela 9.8 9.8 6.37

yeso 9.8 9.8 6.37

lija 9.8 9.8 6.37



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Conclusiones

Con base en los objetivos planteados en la práctica,escriba las conclusiones correspondientes.

Bibliografía[1] Resnick, Robert, “Física”, CECSA, 6ª edición,

México, 1999.[2] Giancoli, Douglas, “Física, principios con

aplicaciones” , Pearson Educación, 6ª edición,México, 2006.

[3] Burbano S., Burbano E., Gracia C. “FísicaGeneral”. Editorial Tebar (2004)

[4] Tipler P. A. Física. Editorial Reverté (1994).[5] Serway, “Física”, Editorial McGraw-Hill (1992).



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Materiales



Práctica 6FRICCIÓN

ESTATICA Y DINAMICA


Autor Dr. Javier Jiménez García


Aprobado Comité Editorial

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PRÁCTICA No. 6 LABORATORIO DE TRIBOLOGÍA PROYECTO PAPIME PE100614, UNAMFRICCIÓN ESTATICA Y DINAMICA

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Objetivo general

Que el alumnado comprenda y argumente el coeficientede fricción estático y dinámico de algunos parestribológicos.


Determinar el coeficiente de fricción estático entredistintas parejas de materiales.

Establecer el coeficiente de fricción dinámico entrediversas parejas de materiales.


Construir y desarrollar argumentaciones válidas,

identificando hipótesis y conclusiones.




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